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制备聚合硫酸铁的原料及方法

制备聚合硫酸铁的原料及方法

       聚合硫酸铝铁(Polymeric Aluminum Ferric Sulfate,简称PAFS 或PFAS)又叫聚合硫酸铁铝、复合硫酸铝铁,聚硫酸铝铁,其主要成分为[Al(OH)n SO 4]m [Fe 2(OH)n SO 4]m ,是在聚合硫酸铁和聚合硫酸铝的基础上发展起来的,兼具铝盐的净水效果和铁盐的安全无害的优点[1~2],还具有盐基度高、矾花大、絮凝沉降快、用量少、去除率高、应用领域广泛等优点。本文先容了PAFS 的制备原料及方法。

1、 聚合硫酸铁的制备原料

   制备聚合硫酸铝铁主要是利用原料中的铝元素和铁元素,所以,含有一定量的铝元素和铁元素的物质,均可以作为制备PAFS 的原料,如采用硫酸亚铁和硫酸铝[3]

、高炉渣[4]

、硫铁矿烧渣[5]

、煤系高岭土[6]

、粉煤灰[7]

、铝土矿尾矿[8]

等原料,经过一定的工艺处理,均能制备出聚合硫酸铝铁

 2、 制备方法 

    首先要溶解原料中的铝元素和铁元素,形成硫酸铝、硫酸亚铁或硫酸铁,很多研究者都是先获得硫酸亚铁和硫酸铝,在制备的过程中加入氧化剂如空气[9]、二氧化锰[10]、双氧水、氯酸钠、浓硝酸[11]等,使亚铁离子转化为铁离子,然后再和硫酸铝进行聚合。

步骤:

含铁原料

硫酸铝

聚合硫酸铝铁

(PFAS )

含铝原料

硫酸亚铁硫酸铁聚化

聚合 

     采用铝渣制备了硫酸铝,用拆解钢制备了硫酸亚铁,再将这二者按硫酸亚铁与硫酸铝的质量比为12~14,硫酸与总铁的物质的量之比为1.30,搅拌至混合均匀后缓慢滴加适量双氧水,控制反应温度为57℃,反应时间为2.5h,在此条件下所得的红色粘稠液体为PAFS,其盐基度可达15.1%~18.9%。在上述反应中,氧化剂双氧水的作用就是将体系中的Fe 2+氧化为Fe 3+。对于可以直接获得Fe 3+的原料,则无需经过氧化步骤,赵冉[13]采用赤铁矿为原料获得了硫酸铁溶液,然后再和由粉煤灰制得的硫酸铝溶液直接聚合,省去了氧化步骤,也制得了PAFS。

3、 制备原理

    由亚铁离子和铝离子混合来制备PAFS,氧化反应的速率较低,常常需要加入催化剂来提高反应的速率。FeSO 4在酸性条件和氧化剂存在的条件下,被氧化为Fe 2(SO 4)3, Fe 2(SO 4)3和Al 2(SO 4)3经水解、聚合,得到红棕色的聚合硫酸铝铁液体产品,常见的反应方程式如下:

Fe+H 2SO 4=FeSO 4+H 2↑FeO+H 2SO 4=FeSO 4+H 2O 2FeSO 4+H 2O 2+H 2SO 4=Fe 2(SO 4)3+2H 2O MnO 2+2Fe 3++4H +=2Fe 3++Mn 2++2H 2O 3Fe 2++NO 2-+4H +=3Fe 3++NO↑+2H 2O 2Fe 2O 3+3H 2SO 4=2Fe 2(SO 4)3+3H

2O 2Al 2O 3+3H 2SO 4=2Al 2(SO 4)3+3H 2O

最重要的反应是聚合硫酸铝铁的生成,方程式如下:

mFe2(SO4)3+0.5mAl2(SO4)3+2nH2O=

[Al(OH)n SO4]m[Fe2(OH)n SO4]m+2nH++2.5mSO42-在制备过程中,水解和聚合反应同时存在于一个体系中,有时还发生氧化反应,这些反应之间相互影响,相互促进[14],最终生成红褐色或红棕色的[Al(OH)n SO4]m[Fe2(OH)n SO4]m,即聚合硫酸铝铁(PAFS)。

     总之,以矿物原料及含铝铁元素的工业废弃物合成的PAFS,其性能优于单一的聚合硫酸铁(PFS)和聚合硫酸铝(PAC),大力发展矿物材料合成PAFS,能提高矿物原料的工业附加值,有利于环境保护和经济社会的可持续发展。

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